Od lampy do układu scalonego

Transkrypt

1 Lekcje dla licealistów 2009 Od lampy do układu scalonego F. Gołek Uniwersytet Wrocławski

2 Zanim wynaleziono lampę W latach J.C. Maxwell opisuje równaniami poznane zjawiska elektryczne i magnetyczne..

3 Dla zaawansowanych. Równania Maxwella Równanie fali Prędkość fali

4 Ciekawy związek między stałymi

5 Zanim wynaleziono lampę Z równań Maxwella wynika, że istnieją fale elektromagnetyczne (o prędkości światła). Tę sensację potwierdza w roku 1888 H.R. Hertz.

6 Zanik sygnału i szum elektryczny

7 Komunikacja bezprzewodowa Nikola Tesla od 1892 r. pracuje nad bezprzewodową transmisją energii i informacji. W 1899 r. G. Marconi realizuje bezprzewodowy telegraf dla komunikacji poprzez kanał La Manche.

8 Nadajnik iskrowy i odbiornik Tylko do przekazu impulsów

9 Zmodulowany amplitudowo sygnał ciągły i jego detekcja

10 Demonstracja: Wizualizacja sygnału zmodulowanego amplitudowo. U1 przed detekcją (bezpośrednio z generatora), U2 po detekcji (bez użycia kondensatora usprawniającego), U3 po detekcji (z kondensatorem).

11 Przy bardzo słabych sygnałach nie radzą sobie nawet najlepsze detektory. Dlaczego sygnał szybko słabnie z odległością od nadajnika?

12 Sygnał słabnie proporcjonalnie do 1/R2 z odległością R bo obszar, w który się rozprzestrzenia zwiększa się jak R2 W przestrzeni ma miejsce efekt rozrzedzania energii i wymagany jest jakiś sposób na detekcję słabych sygnałów. Albo lepsze detektory albo wzmacnianie sygnału.

13 Co to jest wzmacnianie sygnału? Wzmocnienie w elektronice oznacza zwiększenie energii sygnału. Aby zwiększyć energię sygnału (wzmocnić sygnał) należy dysponować zapasem energii. Proces wzmocnienia zwykle polega na sterowanym przez sygnał wzmacniany wypływie energii z posiadanych jej zapasów.

14 Idea wzmacniania sygnału elektrycznego na zasadzie dzielnika napięcia złożonego z odbiornika energii Ro i rezystora sterowanego Rs (Rs może być lampą lub tranzystorem). Wkładamy mało energii E1 aby zmieniać Rs i uzyskujemy dużą amplitudę energii E2 w Ro.

15 Wzmacnianie sygnałów elektrycznych na zasadzie dzielnika napięcia zawierającego jeden sterowalny, zmienny rezystor. Rozważmy układ szeregowo połączonych: sterowanego rezystora zmiennego Rz i rezystora stałego odbiornika Ro połączonych z zasilaczem tak jak dzielnik napięcia. Mamy tu URo = Ro U/(Ro + Rz) napięcie na Ro URz = Rz U/(Ro + Rz) napięcie na Rz. Przy zmianie Rz od wartości Rz>>Ro do Rz <<Ro moc wydzielana w Ro zmieni się w przybliżeniu od Pmin = 0 do Pmax = U2/Ro. Zatem impuls mocy wyjściowej wydzielanej w odbiorniku osiągnie wartość Pwy Pmax = U2/Ro. Jeżeli moc sygnału sterującego Ps, który pokręcił rezystorem Rz była mniejsza od Pmax to otrzymaliśmy wzmocnienie sygnału KP = Pwy /Ps. Taki trick można wykonać zarówno przy pomocy lampy jak i tranzystora. Zdolność wpływania sygnału elektrycznego na inny sygnał elektryczny to podstawowa cecha tzw. elementów aktywnych. Układy elektroniczne to są te układy, które zawierają elementy aktywne.

16 Wynalezienie lampy to tylko modyfikacja żarówki Edisona W latach T. A. Edison i jego asystent W. J. Hammer pracują nad ulepszaniem opatentowanych w 1879 r. próżniowych żarówek, które w czasie pracy ulegały poczernieniu. Zauważyli przepływ prądu między grzaną i ujemnie spolaryzowaną elektrodą a zimną dodatnio spolaryzowaną elektrodą. W 1911 r. O. W. Richardson zinterpretował efekt Edisona jako wyparowywanie elektronów z gorącego drucika i nazwał go emisją termiczną. W 1904 r. J. A. Fleming zauważył, że efekt Edisona można zastosować do prostowania prądu zmiennego i wykonał diodę próżniową (prostownik lampowy).

17 Dioda próżniowa J.A. Fleming 1904 Gdy w obwodzie elektrycznym zasilanym przez źródło symetrycznie przemiennego napięcia znajdzie się dioda to prąd nie będzie symetrycznie przemienny. Tylko katoda (rozgrzany metal) emituje elektrony. Zatem w obwodzie będzie prąd tylko wtedy gdy przykładane napięcie pozwoli emitowanym z katody elektronom docierać do anody.

18 Demonstracja diody próżniowej.

19 Trioda próżniowa Lee De Forest 1906 pierwsza trioda próżniowa o nazwie audion przeznaczona była do czulszej detekcji sygnałów. Langmiur wysoko-próżniowe lampy radiowe. Poczynając od lampy triody złożonej z katody, anody oraz umieszczonej między nimi siatki, stało się możliwe sterowanie prądem anoda - katoda przy pomocy pola elektrycznego siatki i małego prądu siatka-katoda. Ten swoisty zawór, w którym potencjał siatki przymyka prąd anodowy zapewnił efekt wzmacniania sygnałów elektrycznych.

20 Demonstracja efektu wzmocnienia 1) Brak dźwięku (sygnał z generatora zbyt słaby) 2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy) Lampa trioda może wzmacniać!

21 Budowa triody, video.

22 Co mogą lampy elektronowe? 1) Diody najprostsze dwuelektrodowe lampy mogą prostować prąd. 2) Triody trzyelektrodowe lampy mogą: a) być wyłącznikami, b) wzmacniać sygnały elektryczne, c) generować periodyczne przebiegi napięcia dla nadajników, pieców indukcyjnych itp. 3) Bardziej złożone lampy stosowano w telewizji, radio itp. a w technologii mikrofal i radarze stosowane są nadal. Ale lampy są duże i nieekonomiczne!

23 Julius Lilienfeld w 1926 r. opatentował ideę, że słabo przewodzący materiał umieszczany w polu elektrycznym będzie zmieniał swoje przewodnictwo pozwalając na uzyskanie efektu wzmocnienia. Realizacja dopiero w latach JFET i MOSFET.

24 Przemysł telekomunikacyjny stosował przez wiele lat niedogodne lampy próżniowe i psujące się mechaniczne przełączniki. Istniała silna potrzeba zastąpienia przełączników czymś lepszym.

25 Przewodność (a zatem i oporność) półprzewodników można łatwo i w dużym zakresie zmieniać poprzez domieszkowanie lub polaryzowanie. Dlatego z tych materiałów usiłowano stworzyć triodę półprzewodnikową nazwaną potem tranzystorem. (Po 2 Wojnie Światowej Shockley i jego grupa w Bell Lab miała na celu zastąpić czymś lepszym tysiące bardzo zawodnych mechanicznych przekaźników w centralach telefonicznych)

26 Pierwszy tranzystor W budowie tego tranzystora trudno było umieścić dwa ostrza (emiter i kolektor) w odległości około 0,1 mm od siebie na czystej powierzchni kryształu Ge.

27 Tranzystory ostrzowe to lipa!!! Kontakty ostrzowe są bardzo niestabilnymi kontaktami! Tranzystory złączowe OK!

28 Krzem typu p i typu n.

29 Złącze pn Gdy uformujemy złącze pn, dla równowagi energetycznej (bo elektron swobodny ma wyższą energię niż elektron zajmujący dziurę związany) nieco elektronów z obszaru n i nieco dziur z obszaru p przedyfunduje płaszczyznę styku obszarów p i n. W rezultacie rekombinacji dziur z elektronami tuż przy płaszczyźnie styku, z obu jej stron, nie będzie ani mobilnych dziur ani mobilnych elektronów. Taki pas bez mobilnych elektronów jest pasem złego przewodzenia (dużej oporności). Ten pas będzie jednak zawierał nieruchome jony: ujemne po stronie p i dodatnie po stronie n. Ładunek tych jonów tworzy barierę potencjału uniemożliwiającą dalszą dyfuzję elektronów z obszaru n jak i dziur z obszaru p. Przykładając napięcie do złącza (polaryzując złącze pn) możemy albo poszerzyć pas złego przewodzenia albo go likwidować i uzyskiwać dobre przewodnictwo całości. Przykładając napięcie plusem do obszaru n a minusem do obszaru p poszerzamy obszar złego przewodzenia i prąd w takim obwodzie jest malutki (bo w obwodzie mamy duży opór złącza pn). Przykładając napięcie plusem do obszaru p, a minusem do obszaru n, zmniejszamy obszar złego przewodzenia i zmniejszamy oporność złącza. Prąd przy takiej polaryzacji gwałtownie rośnie przy przekroczeniu pewnej wartości napięcia polaryzacji (0,6 V dla diody krzemowej).

30 Dioda. Barierę potencjału stanowią jony.

31 Dioda spolaryzowana zaporowo

32 Dioda przewodzi.

33 Tranzystor npn Gdy uformujemy układ npn (lub pnp) z bardzo wąskim środkowym sektorem uzyskamy tranzystor - najważniejsze odkrycie XX wieku. Najprostszy model intuicyjny mówi, że sygnałem o małej amplitudzie mocy, za pomocą bazy (zaworu), dokonuje się zamykanie i otwieranie przepływu dużego ładunku (o dużej amplitudzie mocy) między

34 Demonstracja efektu wzmocnienia 1) Brak dźwięku (sygnał z generatora zbyt słaby) 2) Słychać dźwięk (Po wzmocnieniu sygnał znacznie większy)

35 Demonstracja tranzystora polowego z izolowaną bramką Dla otwarcia lub zamknięcia kanału wystarcza zmiana małego ładunku elektrycznego na bramce.

36 Co mogą tranzystory i diody? W zasadzie robią to co lampy bez potrzeby rozgrzewania czegokolwiek. Tranzystory są bardzo małe i pozwalają na ich nieprawdopodobne upakowanie (setki milionów na 1cm2!). Tranzystor zastępuje i wypiera duże, gorące, szklane i tłukące się lampy. Tylko w niektórych układach dużej mocy lampy są jeszcze obecne. Np. radar lub wzmacniacze akustyczne. Wzmacniacze akustyczne lampowe dając nieco inny skład wyższych harmonicznych niż wzmacniacze tranzystorowe zapewniają, że odtwarzana muzyka daje lepsze (psychoakustyczne) wrażenie i złudzenie większej dynamiki.

37 Po wynalezieniu tranzystora nieustannie trwa proces miniaturyzacji samych tranzystorów jak i innych elementów elektronicznych. W latach tranzystory, diody, rezystory i kondensatory były produkowane głównie jako indywidualne (dyskretne) elementy. Jednak od 1960 r. pojawia się coraz więcej układów scalonych, a od 1971 również mikroprocesory (w 2008 r. z prawie miliardem tranzystorów). Obecnie tylko tranzystory wielkiej mocy są jeszcze produkowane jako indywidualne elementy.

38 Miniaturyzacja poprzez wytwarzanie układów scalonych. Po wynalezieniu tranzystora technolodzy wiedzieli o potencjalnych możliwościach elektroniki cyfrowej ale ogromnym problemem był wykładniczy wzrost liczby elementów przy każdej rozbudowie i ulepszaniu układów elektronicznych. Rozwiązaniem problemu stały się monolityczne układy scalone. Znaleziono sposoby budowy poszczególnych elementów na jednym monokrysztale (chipie) półprzewodnika. Kilby zastosował german a Noyce krzem i fotolitografię pisanie światłem.

39 Uzyskiwanie krzemu o czystości 99, %

40 Po pocięciu kryształu krzemu na plastry (wafle) o grubości około 1mm i średnicy do 30 cm następuje fabrykacja układów scalonych. Proces ten składa się z około 350 etapów. Wśród nich są polerowania, utleniania, nanoszenia tzw. rezystów, naświetlania, trawienia, nanoszenia cienkich warstw, domieszkowania i kilku innych.

41 Układ scalony Obecnie układy scalone o bardzo wysokiej skali integracji mogą mieć ponad tranzystorów!

42 Układ scalony, video.

43 1971 pierwszy mikroprocesor INTEL 4004 (4-bitowy, 2250 tranzystorów, moc obliczeniowa jak w komputerze ENIAC lamp i 30 ton wagi) Znaczki na niektórych układach scalonych.

44 Przyszłość.

45 Czy elektronika może pamiętać? Przykłady: przerzutniki, rejestry...

46 Czy elektronika może liczyć? Przykłady: bramki logiczne...

47 Oszczędne energetycznie układy CMOS. Przykład: negator bramka logiczna zmieniająca wartość 0 na 1 oraz 1 na 0.

48 Źródła: A) Filmy: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) Artykuły w internecie 1) 2) CHAP-4A.html 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) CHAP-4A.html 13) 14) 15) 16) Literatura 1) F. Collins, The Radio Amatour s Hand Book, ) M. Riordan, Rev. Modern Phys. 71 (1999) S336. 3) P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKŁ, Warszawa 1992, 1995.

49 To fizycy wynaleźli: Tranzystor, Komputer, Laser, i WWW